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Über dieses Buch

Dieses Werk wurde erstmals 1991 von Horst Chmiel herausgegeben und hat sich inzwischen als Standardwerk sowohl im Studium als auch in der Praxis der Biotechnologie etabliert. Die in weiten Teilen neue 4. Auflage des Lehrbuchs Bioprozesstechnik bietet eine umfassende Einführung zu allen Aspekten der modernen Bioprozesstechnik.

Am Anfang stehen Beiträge zur Kinetik von Enzymen und Mikroorganismen, gefolgt von einem Kapitel zu Prozessmodellen. Weitere Beiträge beschäftigen sich mit den Fließeigenschaften von Biosuspensionen und deren Einfluss auf Transportvorgänge. Die Funktionsweise von Bioreaktoren und das Problem der Sterilität sowie die Mess- und Regeltechnik werden ausführlich behandelt. Oftmals entfallen mehr als die Hälfte der Kosten eines Bioprodukts auf die Aufarbeitung, ihr wird deshalb besondere Beachtung geschenkt. Der Beschreibung von ausgewählten Bioprozessen sind drei Kapitel gewidmet, bevor das Buch mit einem Beitrag zu systembiologischen Aspekten d

er Bioprozesstechnik abgeschlossen wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Enzymkinetik

Die Enzymkinetik beschäftigt sich mit der Untersuchung der Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen. Durch die quantitative Analyse des Effekts verschiedener chemischer und physikalischer Parameter, wie beispielsweise Substrat- und Produktkonzentration oder Temperatur, auf die Umsetzungsgeschwindigkeit, können wichtige Informationen bezüglich des zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus und der physikalischen Eigenschaften des biologischen Katalysators gewonnen werden. Die Geschwindigkeitsgleichungen, die aus den kinetischen Studien hervorgehen, können dazu verwendet werden, optimale Betriebspunkte für einen Bioprozess zu identifizieren.

Kathrin Castiglione

2. Wachstumskinetik

Mikroorganismen (Bakterien, Hefen, Pilze, Mikroalgen) und Gewebezellen (tierische Zellen, pflanzliche Zellen) werden neben isolierten Enzymen als Biokatalysatoren in vielfältiger Weise in der industriellen Produktion eingesetzt. Die quantitative Kenntnis der Reaktionsgeschwindigkeiten dieser Biokatalysatoren (Substratverbrauch, Wachstum und Produktbildung) in Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen ist von zentraler Bedeutung für Auslegung und Betrieb von Bioreaktoren. Die grundlegenden Konzepte zur Wachstumsmodellierung von Mikroorganismen und Zellen werden in diesem Kapitel beschrieben.

Dirk Weuster-Botz, Ralf Takors

3. Prozessmodelle

Ein Prozessmodell besteht im Kern aus Massen- und Stoffbilanzen, die bei Bedarf durch Energie-und Impulsbilanzen erweitert werden. Bilanziert werden z. B. Massen- oder Molmengen einzelner Spezies in einem Bilanzraum, für die jeweils die Erhaltungssätze gültig sind. Der Wahl der Bilanzraumgrenze kommt zur Beschreibung eines Prozessmodells eine große Bedeutung zu. Sie sollte so gewählt werden, dass alle ein- und austretenden Stoffströme (analog Impuls- und Energieströme) erfasst und die innerhalb des Systems ablaufenden Reaktionen beschrieben werden können.

Ralf Takors, Dirk Weuster-Botz

4. Rheologie von Biosuspensionen

Unter Biosuspensionen seien im Folgenden suspendierte biogene Materialien verstanden. Sie bestehen aus Mikroorganismen und deren extrazellulären Stoffwechselprodukten suspendiert in einem wässrigen Nährmedium. Wegen ihres häufig komplexen Fließverhaltens – das wiederum starken Einfluss auf das Impuls-, Stoff- und Wärmeaustauschverhalten, und somit auf die Verfahrenstechnik von biotechnologischen Prozessen, ausübt – müssen sie möglichst vollständig rheologisch charakterisiert werden. Den Grundlagen hierzu widmet sich dieses Kapitel, wobei, wenn nicht anders spezifiziert, von isothermen Bedingungen ausgegangen wird.

Horst Chmiel, Eckehard Walitza

5. Transportvorgänge in Biosuspensionen

Bei der Übertragung von Bioprozessen in den technischen Maßstab treten im Bioreaktor häufig Transportprobleme auf, die im Labormaßstab nicht beobachtet bzw. vernachlässigt werden konnten, nun aber prozesslimitierend sind. Ursache dafür ist eine nicht korrekte Maßstabsübertragung. Für eine richtige Vorgehensweise leistet die Ähnlichkeitstheorie gute Dienste. Dort werden dimensionslose Kennzahlen zur Beschreibung eines physikalisch-technischen Sachverhalts verwendet, welche beim Übergang auf einen anderen Maßstab im Zahlenwert beizubehalten sind, damit die physikalische Ähnlichkeit erhalten bleibt.

Horst Chmiel, Eckehard Walitza

6. Bioreaktoren

Unter einem Bioreaktor wird ein Apparat verstanden, in dem unter Mitwirkung von Biokatalysatoren Stoffumwandlungen mit Enzymen, Mikroorganismen oder Zellen stattfinden. Zum Homogenisieren, Suspendieren und Dispergieren müssen fluide Phasen im Bioreaktor transportiert und intensiv miteinander in Kontakt gebracht werden. Hierzu ist Energie erforderlich. Daher ist es konsequent, die vielfältigen Bauformen von Bioreaktoren nach Art des Energieeintrags zu klassifizieren. In diesem Kapitel werden die entsprechenden Bioreaktorklassen sowie geschüttelte Bioreaktoren jeweils getrennt voneinander behandelt, die wesentlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Grundaufgaben beschrieben und die Vorgehensweisen zur Maßstabsvergrößerung von Bioprozessen mit den jeweiligen Bioreaktoren erläutert.

Horst Chmiel, Dirk Weuster-Botz

7. Sterilisation und Sterildesign

Eine wesentliche Voraussetzung für die Produktionssicherheit biotechnologischer Prozesse ist, dass der Fermentationsprozess nicht durch Fremdorganismen gestört wird. Daher müssen bevor der Bioprozess gestartet wird, Bakterien, Sporen und Viruspartikel (ggf. auch Prionen) möglichst vollständig abgetötet bzw. ausreichend inaktiviert werden (= Sterilität). Zudem muss die Anlagentechnik so ausgeführt sein (= Sterildesign), dass während des Betriebs keine prozessfremden Organismen in die Anlage gelangen und den Bioprozess stören (= aseptische Betriebsweise, steriler Zustand). Wird mit pathogenen oder gentechnisch modifizierten Organismen gearbeitet, so ist durch technische Maßnahmen sicher zu stellen, dass keine Organismen und Stoffe in die Umgebung gelangen.

Jörg Hinrichs, Heinrich Buck, Gerhard Hauser

8. Bioprozessanalytik und -steuerung

Das komplexe Mehrphasensystem in einem Bioprozess stellt höchste Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik. Um die optimalen Bedingungen für den gesamten Prozess aufrechtzuerhalten, muss die Zusammensetzung der Flüssigphase (Medium), der darin suspendierten Gasphase und der dispergierten Festphase (Zellen, Zellverbände) kontinuierlich erfasst werden. Die Interaktion dieser drei Phasen ist komplex und verschiedenste Zeitkonstanten machen eine Steuerung des Gesamtprozesses ohne ausreichendes Prozess-Wissen schwierig. So wirkt sich die Induktion eines Gens durch einen Temperaturshift oder die Zugabe eines chemischen Induktors erst nach mehreren Minuten durch die Expression des gewünschten Proteins aus. Das Protein kann erst mit einer Zeitverzögerung metabolisch aktiv sein. Auch dieses Wissen muss für eine erfolgreiche Bioprozesssteuerung auf der Basis einer detaillierten Prozessanalytik eingebracht werden.

Bernd Hitzmann, Thomas Scheper

9. Aufarbeitung (Downstream Processing)

Die Produktaufarbeitung - im Englischen Downstream Processing genannt - mit den Schritten Zellabtrennung, Zellaufschluss (wenn das Produkt intrazellulär vorliegt), Produktisolation, Produktkonzentrierung, Produktreinigung und Konfektionierung hat in der Regel einen Anteil, der mehr als die Hälfte der Gesamtproduktionskosten beträgt. Das trifft besonders für Proteinwirkstoffe zu. Ziel muss also die Reduktion der Kosten für die Produktaufarbeitung sein. Hilfe erwartet man sich bei der Optimierung der Produktaufarbeitungs-prozesse von der modellbasierten Hybridprozessentwicklung.

Horst Chmiel

10. Enzymatische Prozesse

Bei enzymatischen Produktionsprozessen geht es um biokatalytische Stoffumwandlungen, an denen sehr häufig nur ein einzelnes Enzym (Einschrittreaktion) oder eine überschaubare Kaskade mehrerer Enzyme beteiligt sind. Diese Stoffumwandlungen werden auch als Biotransformationen bezeichnet. Im Gegensatz dazu werden bei mikrobiellen Prozessen, die Gegenstand von Kap. 11 sind, ganze Stoffwechselnetzwerke von Zellen dazu genutzt, gewünschte Produkte in der Regel ausgehend von natürlichen Kohlenstoff- und gegebenenfalls Stickstoffquellen herzustellen.

Kathrin Castiglione, Dirk Weuster-Botz

11. Mikrobielle Prozesse

Mikrobielle Prozesse spielen seit langer Zeit in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine wesentliche Rolle. Sowohl im Bereich der Lebensmittelherstellung als auch in der Umwelttechnik werden biologische Prozesse traditionell genutzt. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben mikrobielle Verfahren eine Schlüsselstellung bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten erlangt.

Christoph Syldatk, Rudolf Hausmann, Horst Chmiel

12. Kultivierung von Säugetierzellen

Die Kultivierung von Säugetierzellen hat in Verbindung mit der industriellen Anwendung der Gen- und Biotechnik eine enorme medizinische und wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Eine stetig steigende Zahl von Proteinen, die in tierischen Zellen exprimiert werden, ist bereits für die Anwendung am Menschen zugelassen bzw. wird für ihre Eignung als Arzneimittel geprüft. Im Jahr 1987 wurde Actilyse® für die Therapie des Herzinfarktes in den Markt eingeführt, als eines der ersten Medikamente dieser Art, das aus Säugetierzellkulturen gewonnen wurde. Seitdem wurden viele weitere Proteine als Medikamente zur Therapie von Krankheiten aus Zellkulturen hergestellt, die inzwischen eine große wirtschaftliche Relevanz erreicht haben.

Ralph Kempken, Franz Walz, Michael Howaldt

13. Systembiologie in der Bioverfahrenstechnik

Die Systembiologie ist eine Wissenschaft, die sich nach wie vor rasant entwickelt. Sie verfolgt den Ansatz, ein biologisches System holistisch, d. h. ganzheitlich zu betrachten und quantitativ zu beschreiben. Dabei steht die Interaktion der einzelnen Module (Moleküle, Zellen, Regulationsmechanismen oder Populationen) im Vordergrund der Untersuchungen. Folgerichtig setzen sich systembiologische Studien aus unterschiedlichsten Facetten der Forschungsthemen zusammen und adressieren vielfältige Themenfelder der Biologie und Medizin. Das nachfolgende Kapitel stellt nur einen kleinen Teilaspekt in den Vordergrund: nämlich die systembiologischen Aspekte in der Bioverfahrens- bzw. Bioprozesstechnik. Weitere Themenfelder werden in den Übersichten vorgestellt.

Ralf Takors

Backmatter

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